1、第一章 通信電源綜述1.1 概 述通信電源系專指對通信主機(jī)直接供電的電源。通信電源的基本要求是安全、可靠、不間斷和低雜音。對于一個通信局站，除了對主機(jī)供電不允許間斷的電源外，還包括有允許短時中斷的對保證建筑負(fù)荷，機(jī)房空調(diào)等的供電電源和允許中斷的一般建筑負(fù)荷用的電源。所以通信局站電源和通信電源是兩個概念，通信電源是通信局站電源的主體和關(guān)鍵部分（見圖1.1）。圖 1.1 通信局站電源通信主機(jī)設(shè)備可概分為交流供電的通信設(shè)備和直流供電的通信設(shè)備兩大類。程控交換、光通信、微波通信、移動通信設(shè)備均屬直流供電的通信設(shè)備，而衛(wèi)星地球站設(shè)備則屬于交流供電的通信設(shè)備。目前直流供電的通信設(shè)備占大部分。根據(jù)通信主機(jī)設(shè)

2、備的供電要求有交流、直流之分。因此通信電源也有交流不間斷供電和直流不間斷供電兩大系統(tǒng)。對于這兩大系統(tǒng)如何保證電源的不間斷,實際上都是靠蓄電池作為儲備能源來獲得的。交流不間斷供電系統(tǒng)的供電方案有多種多樣，典型的有單一式帶旁路開關(guān)的方案及并聯(lián)冗余供電方案（見圖1.2）。但不論哪種交流不間斷供電系統(tǒng)都包括由交流整流為直流，再由直流逆變?yōu)榻涣鲀蓚€環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)變，這將影響系統(tǒng)的效率及可靠性，并且交流的并聯(lián)冗余技術(shù)及旁路技術(shù)也要相對復(fù)雜些，所以這也是目前通信設(shè)備及供電電源還是以直流不間斷供電為主的原因。圖 1.2 交流不間斷電源系統(tǒng)圖 1.3 直流不間斷電源系統(tǒng)直流不間斷供電系統(tǒng)通常采用的方案如圖1.3所示。

3、系統(tǒng)構(gòu)成相對比較簡單，只有交流整流為直流一次轉(zhuǎn)換。圖1.3中的電壓調(diào)節(jié)裝置有兩種基本類型。一種是尾電池，另一種是作為降壓用的硅二極管，分別稱為尾電池方式供電和硅管降壓式供電。一般來說，尾電池方式用于400A以上系統(tǒng)，而硅管降壓式則用于較小電流的系統(tǒng)。在直流供電系統(tǒng)中之所以采用電壓調(diào)節(jié)裝置的原因主要在于協(xié)調(diào)通信主機(jī)工作電壓范圍和電池工作電壓范圍之間的矛盾。以縱橫制交換機(jī)為例，其允許的工作電壓范圍為-56-66V，其電壓變化比率為66/56=1.18。而電池電壓以鉛酸電池為例均充時為2.35V/節(jié)，放電終止值為1.8V/節(jié)，其變化比率為2.35/1.8=1.3。所以采用電壓調(diào)節(jié)裝置既可以滿足通信主

4、機(jī)電壓允許變化范圍較窄的實際，又可保證電池既能充滿，又能充分放出電能的目的。但毋庸諱言，電壓調(diào)節(jié)裝置的接入，對直流供電系統(tǒng)的可靠性是有相當(dāng)影響的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，通信設(shè)備的允許工作電壓范圍已變得越來越寬，甚至寬于電池的變化范圍，因此可省去電壓調(diào)節(jié)裝置而直接供電。這稱之為寬電壓范圍直流供電系統(tǒng)，而過去有電壓調(diào)節(jié)裝置的則稱為窄電壓范圍供電系統(tǒng)。至于直流供電系統(tǒng)的輸出配電方式，即如何將直流電送到通信設(shè)備的方式，過去都采用集中供電的方式，即直流電源系統(tǒng)集中安裝在中央電力室，然后用匯流排輸送到各通信機(jī)房。由于直流供電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓都比較低（24V/48V系統(tǒng)）。當(dāng)通信設(shè)備容量日益增大，而通信機(jī)房建筑的樓

5、層也越來越高時，低壓大電流的輸出配電方式是很不利的，往往線路壓降過大或銅材消耗過多。再則，一旦中央電力室電源發(fā)生故障，將影響全局通信。故現(xiàn)在傾向于分散/分布式配電，即將中央電力室的直流電源分散到各樓層、通信機(jī)房或通信機(jī)列中去。這樣，一則可節(jié)省銅材（直流輸電距離短），二則也提高了可靠性，一組電源的損壞，不會影響全局。與分布式配電的目的一樣，高阻抗配電也是一種提高可靠性的配電方案。所謂高阻抗配電是在每條負(fù)荷支路中串有一定數(shù)值的電阻（約為電源內(nèi)阻的10倍）這樣，一旦負(fù)荷支路發(fā)生短路，也不致使電源系統(tǒng)的電壓跌落過多，影響別的支路的工作。圖1.4是分布式、高阻抗配電示意圖。圖 1.4上述的交流不間斷供電

6、與直流不間斷供電系統(tǒng)，從圖1.2、1.3可知，都是從交流市電或油機(jī)發(fā)電機(jī)組取得能源，再變換成不間斷的交流或直流電源去供給通信設(shè)備，通信設(shè)備內(nèi)部再根據(jù)電路需要通過DC/DC變換器或AC/DC整流器轉(zhuǎn)換成多種直流電壓。因此，從功能及轉(zhuǎn)換層次來看，可將整個電源系統(tǒng)劃分為三個部分，國外將交流市電或油機(jī)發(fā)電機(jī)組稱為第一級電源（Primary power supply）,這一級是保證提供能源，但不保證不間斷。 上述交流不間斷系統(tǒng)和直流不間斷系統(tǒng)稱為第二級電源(Secondary power supply)，主要是保證電源不間斷，至于通信設(shè)備內(nèi)部的由直流不間斷電源供電的DC/DC變換器,鈴流發(fā)生器或小型直流

7、交流逆變器以及由交流不間斷電源供電的整流器,則劃歸為第三級電源(Tertiary power supply)。第三級電源主要提供通信設(shè)備內(nèi)部各種不同交、直流電壓的要求,常由插板電源或板上電源提供。板上電源(Power on board)在我國常稱為模塊電源,體積很小(目前功率密度已達(dá)到120W/平方英寸),它可像電阻、電容器件那樣由制造廠處購來直接裝在印制板上。對于上述三級電源的劃分示意圖如圖1.5。本書所述智能型高頻開關(guān)電源直流供電系統(tǒng)是屬于第二級電源范疇。順便說一下,我國習(xí)慣稱第二級電源為基礎(chǔ)電源,第三級電源稱機(jī)架電源。但實際上第一級電源又是第二級電源的基礎(chǔ),因此從名稱上說不如國際上的劃分

8、為妥。圖 1.5 通信電源的分級作為第二級電源,一方面與第一級電源相聯(lián)形成一個聯(lián)接界面(輸入界面),另一方面與通信設(shè)備或第三級電源相連也形成一個聯(lián)接界面(輸出界面)。界面上的技術(shù)規(guī)范應(yīng)是界面雙方所應(yīng)共同遵循的。例如第二級電源的輸出界面規(guī)范應(yīng)是第二級電源和通信設(shè)備或第三級電源共同遵循，從而作為雙方相應(yīng)組成設(shè)備制訂規(guī)范要求的依據(jù)。過去由于沒有界面規(guī)范,雙方設(shè)備各自制訂規(guī)范,從而使得電源系統(tǒng)和通信主機(jī)常發(fā)生一些不必要的矛盾或爭執(zhí)。例如直流系統(tǒng)的輸出電壓變化范圍問題,電源的常規(guī)變化范圍為額定值的10%, 而縱橫制交換機(jī)為-56-66V, 程控交換機(jī)富士通是-43-56V, S1240是-38-58V,

9、 微波機(jī)為-21-27V,而1800路大通路載波為-24V±5%,不相一致。再如雜音指標(biāo)問題,也是各類設(shè)備各自制訂,莫衷一是。歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化委員會在93 年制定了第二級電源與通信設(shè)備的界面上的技術(shù)規(guī)范(ETSI300132) 。此標(biāo)準(zhǔn)分為A、B二部分,A 部分是交流供電系統(tǒng),而B部分是直流供電系統(tǒng)的,并且明確了通信設(shè)備的輸入端作為界面規(guī)范的測試點。現(xiàn)摘錄B部分主要技術(shù)要求如下:1. 直流電壓允許變化范圍 -40.5-57Vdc2. 直流電壓變動速率 dU/dt<5V/ms3. 直流沖擊電流 <5I額定(10ms)4. 雜音電壓(分寬、窄帶輸出雜音和寬、窄帶反灌雜音)5.

10、無線電頻率干擾符合EN55022或IEC CISPR22標(biāo)準(zhǔn)6. 安全,接地要求等我國95年制定的<<通信局站電源系統(tǒng)總技術(shù)要求>> 也提出了電壓變動范圍及雜音指標(biāo)等要求,但沒有明確為界面要求及規(guī)定測試點。<<總技術(shù)要求>>中提出的電壓允許變動范圍為-40-57V(歐洲標(biāo)準(zhǔn)大致相同)。對-48V雜音電壓則提出了:(1) 電話衡重雜音: 2mV(2) 峰峰值雜音: 0300Hz, 400mV(3) 寬頻雜音電壓:3.4 KHz 150KHz, 100mV 有效值150KHz 30MHz, 30mV 有效值(4) 離散頻率雜音電壓:3.4 150KH

11、z 5mV 有效值150200KHz 3mV 有效值200500KHz 2mV 有效值0.5 30MHz 1mV 有效值至于第二級電源(直流)與第一級電源的界面要求,主要由市電網(wǎng)及油機(jī)-發(fā)電機(jī)組的相關(guān)技術(shù)規(guī)范來確定。其主要技術(shù)要求應(yīng)有: 1. 電壓變動范圍要求、頻率變化要求、波形要求2. 電壓暫降,短時中斷和電壓變化的要求: IEC1000-4-113. 浪涌耐量要求(雷擊): IEC801-5;IEC1000-4-54. 無線電頻率干擾要求: EN55022,CISRR225. 諧波電流要求: IEC1000-3-2,IEC1000-3-46. 安全,接地要求等通信整流器是第二級電源(直流)

12、中的主要裝置,它除了應(yīng)滿足上述兩個界面要求外,由于還與蓄電池并聯(lián)工作,故還應(yīng)滿足蓄電池的有關(guān)要求。此外,整流器還應(yīng)有自身方面要求。對于與蓄電池并聯(lián)工作方面的要求有: 1. 穩(wěn)定的浮充/均充電壓2. 可調(diào)定的電池充電限流功能3. 浮充電壓的溫度補償(對閥控密封電池)等整流器自身方面的要求有信號保護(hù),多臺并聯(lián)時負(fù)載均分以及效率等。通信整流器近年來已由相控型硅可控整流器向高頻開關(guān)型整流器發(fā)展,DMA10-48/100開關(guān)型整流模塊就是具有滿足上述各方面要求的新一代的產(chǎn)品。后面將具體敘述產(chǎn)品各項特性。在這以前先摘要對整流器中的有關(guān)問題作一些概括的介紹。1.2 相控整流器與高頻開關(guān)型整流器的比較相控整流

13、器在我國自60年代末問世以來,由于其電路及結(jié)構(gòu)簡單,性能基本滿足通信要求,已歷經(jīng)20余年,至今仍有使用。高頻開關(guān)電源與之相比有以下優(yōu)點：體積小、重量輕。由于它不用工頻變壓器，只用一個體積小、重量輕的高頻變壓器，因此它的整個體積和重量，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于串聯(lián)線性電源，而且也比串聯(lián)開關(guān)電源小得多。一般約為2030%.功耗小,效率高。它的功率晶體管工作在高壓開關(guān)狀態(tài)，電流小、功耗小，而且控制功率也小，因此效率高。以5V為例，串聯(lián)線性電源的效率只有3040%。串聯(lián)開關(guān)電源的效率為4060%，而它的效率一般高于60%，達(dá)到6570%是不困難的，再采取一定的措施，可達(dá)到80%以上。輸入交流電源頻率和電壓以及輸出

14、電壓的變化對它的影響不大。串聯(lián)線性電源和串聯(lián)開關(guān)電源都有輸入交流電源變壓器，若電源頻率低，如50HZ，則電源變壓器體積和重量都大；若電源頻率較高，如1000HZ，則電源變壓器的體積和重量較小。可見輸入電源頻率的影響是很大的。而無工頻變壓器開關(guān)電源，既然沒有輸入交流電源變壓器，那么輸入交流電源頻率低些或高些對它的影響都不大。此外，串聯(lián)線性電源的功耗隨輸入電壓升高和輸出電壓降低而增大，因而效率嚴(yán)重下降。但開關(guān)電源當(dāng)輸入和輸出電壓在較大范圍內(nèi)變化時，功耗變化不大，因此效率沒有多大變化。不容易出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。串聯(lián)線性和串聯(lián)開關(guān)電源，尤其是后者，由于輸入輸出電壓值相差大，串聯(lián)晶體管一旦擊穿，全部輸入電壓經(jīng)

15、變壓后的峰值電壓將加到輸出端。不僅電壓值高，而且上升速率快，以致過壓保護(hù)電路還沒有來得及動作就已經(jīng)危及負(fù)載（主要是集成電路）。無工頻變壓器開關(guān)電源屬于變換器式開關(guān)電源，不論高壓晶體管是斷開或擊穿，其輸出電壓都下降到零，沒有過壓現(xiàn)象。即使控制電路發(fā)生故障引起輸出電壓升高，但上升速率緩慢，過壓保護(hù)電路能及時動作切斷輸入電壓。而且控制電路的故障概率畢竟要小得多。輸入交流電源突然掉電后，輸出電壓的維持時間較長。從電網(wǎng)直接整流得到的電壓高，輸入電容的貯能也大，而且電路本身允許輸入電壓的變化范圍大。因此，當(dāng)輸入交流電源突然掉電時，在額定負(fù)載下，輸出電壓的額定值能維持幾十毫秒以上，便于計算機(jī)實現(xiàn)信息保護(hù)。宜

16、作低電壓大電流電源。串聯(lián)線性和串聯(lián)開關(guān)電源，由于功率晶體管串聯(lián)在負(fù)載回路里，因此負(fù)載電流受到功率晶體管允許電流的限制，不能作成大電流電源。無工頻變壓器開關(guān)電源是一種功率轉(zhuǎn)換電路，高頻變壓器初級功率大，次級功率也大，而且次極可以是任意高低的電壓值，因此次級電壓低時可以輸出大電流。1.3 關(guān)于電池管理電池管理在這里是指如何充好電和如何診斷電池容量和故障兩方面,而不包括其它日常維護(hù)管理。所以從這個意義說,電池管理和整流器及檢測系統(tǒng)關(guān)系密切,如何充好電又分為浮充和再充電兩種情況,在浮充時主要要適當(dāng)選擇浮充電壓值,且整流器的穩(wěn)壓精度要有一定要求,對于閥控電池還必須有自動溫度補償,以避免熱失控,對于放電后

17、的再充電,主要有充電方式、控制方式以及對電池充電時整流器應(yīng)有可調(diào)限流值功能,使充電電流不超過電池的允許值等各方面。對于充電控制方法,大致有以下五種:1. 時間控制2. 充電終止電流控制3. 充電終止電流變化率控制4. 電壓-時間控制5. 容量(安時)控制對充電方法的比較應(yīng)從是否充足電而又不過充為準(zhǔn)則,再兼顧方便經(jīng)濟(jì)等因素。上面五種方法各有一定優(yōu)缺點,例如時間控制法是最簡單的一種方法，只需設(shè)定一個充電時間,但是否充好電受人為因素和外界因素影響較大;充電終止電流控制法有所改進(jìn),但充電終止值與環(huán)境溫度和電池新舊程度關(guān)系很大，也不便于實際操作;終止電流變化率控制法可以不受上述終止電流隨溫度而變化的情況

18、影響,而僅根據(jù)電池充滿電后充電電流變化趨近于零這個特征來進(jìn)行控制,但這種方法與整流器的穩(wěn)定精度和電流檢測傳感器的靈敏度有很大關(guān)系，否則變化率不易測準(zhǔn);電壓時間控制法目前用的較多，圖1.8是這種方法的示意圖。圖 1.8 電壓時間控制法充電過程的電池電壓及容量變化當(dāng)交流電停電，電池放電至某一電壓閾值時開始計時，作為放電開始，當(dāng)交流電恢復(fù),電池停止放電時停止計時，把這個時間區(qū)段定為放電時間（），而充電時間從另一電壓閾值開始并定為放電時間的若干倍（例如倍），到達(dá)這個時間則視為充電完畢。這種方法，比起單純的時間控制法來說，充電時間將隨放電量的多少自動進(jìn)行調(diào)整。這種方法是瑞典的Ericsson公司提出的,

19、故又稱Ericsson法;安時控制法則直接按放出的電量來進(jìn)行回充，當(dāng)然還需乘以充電轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。這種方法比較更直觀。圖 1.10 放電容量與電導(dǎo)之間的關(guān)系(VRLA 電池, 1000Ah, 168只電池)圖 1.9不同電導(dǎo)值時電池的放電曲線對于如何判斷電池容量是否充足或有質(zhì)量故障，對閥控電池而言，常用動態(tài)電壓電流方法觀察。所謂動態(tài)是指充放電過程中電壓電流的變化情況,可以對單體或?qū)㈦姵胤殖蓭捉M進(jìn)行觀察。近來出現(xiàn)的電導(dǎo)法是建立在電池容量或質(zhì)量好壞與內(nèi)阻的相依關(guān)系上的新方法,圖1.9、圖1.10分別表示放電時間，放電容量與電導(dǎo)的關(guān)系,這種電導(dǎo)法也有可能成為充電的控制法。1.4 并聯(lián)工作和并聯(lián)冗余在單個整流模塊的容量不能滿足系統(tǒng)容量